城市消防車優化設計研究

導語：城市消防車優化設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：解決城市消防車由于種類繁多導致的價格昂貴、體量龐大、功能單一、不易儲存等問題，并對云梯裝置進行了優化改良。透過專家深度訪談的方式獲取設計需求網狀圖，再以專家問卷的方式選擇出提及頻次較高的問題進行優化創新設計。設計提案以模塊化設計理念為指導，將原本單一存在的功能轉化為數個模塊化的組合。模塊化的車體設計，提高了現役城市消防車的實用性及功能性，降低了研發及制造成本。專家訪談有利于獲取潛在的設計需求，模塊化的設計理念優化了城市消防車的功能系統，整合的研究方法確保了設計提案的可行性，可作為后續設計研究的參考。

關鍵詞：城市消防車;模塊化設計;云梯消防車;功能優化設計;造型設計

我國人口數量位居全球第一，據國家統計局數據顯示，截止到2017年，中國的人口總數約為13億9008萬，其中，城市化人口比重約占58.52%[1]。聚集區人口密度較大存在各種安全問題的隱患，據應急管理部消防救援局統計，2018年全國發生火災23.7萬起，造成1407人死亡、798人受傷、直接財產損失達36.75億元，全國消防救援隊伍接警出動115.7萬起，出動消防救援人員1273.2萬人次，出動消防車輛219.3萬輛次[2]，由此可見，我國消防工作任務量巨大，及時提供更優質的消防設備迫在眉睫。其中，消防車使用頻率極高，且對于消防工作的展開至關重要。就城市消防車來說，容易受到交通、城市構造、價格以及體積等因素影響，加之火情種類繁雜，現場情況多變，從而要求消防車具備多功能，以應對各種情況。文章針對上述情況，以模塊化的設計理念對城市消防車進行優化設計。

一、專家訪談

為準確把握消防員對城市消防車的功能需求，設計團隊前往西安消防隊展開調研，以專家深度訪談的方式進行數據采集。設計團隊采訪了西安消防隊的在役消防員，通過提問的訪談方式最終確定以城市消防車作為個案展開研究。透過訪談了解到，我國城市消防車多為進口，進口價格超過100萬元/輛，其中，云梯消防車和排煙消防車等特殊功能消防車的價格比普通城市消防車高出幾倍，同時體積龐大，以致國內消防隊中云梯消防車的配備率極低，就西安市消防隊而言，僅有一輛云梯消防車在役。在線下第二次調研中，設計團隊梳理了第一次訪談調研中得出的幾項重要問題，并搜尋了如圖1右側所示的幾款不同功能不同造型的消防車再次進行訪談調研。設計團隊通過訪談總結并整理出了消防員的設計需求網狀圖，如圖1所示，主要信息欄包括第一層（抽象形容詞）、第二層（原始評價）以及第三層（具體條件）三項。通過該網狀圖篩選出提及頻次最高的5項抽象形容詞，即實用性、多功能、安心感、造型感以及便利性，圍繞這幾項的原始評價和具體條件，設計團隊制作了一份具有針對性的城市消防車問卷調查，通過專家填寫來收集可靠數據，從而得出設計之初所要限定的設計范圍，即重點關注城市消防車的實用性、功能性以及機動性等問題。同時通過對問卷調查結果的統計分析，云梯消防車體積大不易存放等問題是主要待解決的問題，因此將此問題作為本文創新設計的目標。

二、模塊化設計理念

（一）模塊化設計的概述：模塊化設計即在一定范圍內將具備關聯性的產品按功能或性能進行分析、拆解與再設計，形成一系列具備特定功能的模塊，再通過替換、升級、選擇和重組等方式來形成具有新功能的產品，從而滿足市場與環境的不同需求[3]。在模塊化設計的應用中，應遵循由整體到局部的設計思路，確定不同模塊之間的主從關系，進而對每一個模塊進行詳細分析與設計，從而達到局部的最優解，這樣不僅可以提高整體的設計質量，同時保證產品的協調性，避免了新產品給人帶來的拼湊感與不協調感[4]。模塊化設計具體的原則包括以下兩點：1）模塊應具有更高兼容性，即使用少量模塊組成盡可能多的產品，并在此基礎上不斷提高產品精度、增加性能、節約成本以及簡化結構等；2）模塊的系列化，即使用有限的產品品種和規格來最大限度地兼顧經濟合理性以及滿足用戶需求。模塊化設計的特征包括相對獨立性、互換性、通用性等。模塊化設計的優點包括：1）減少重復設計；2）減少生產周期降低成本；3）可通過升級模塊提升整體功能；4）提高了設計生產規范性。另外，模塊化設計也存在一定的局限性，對于部分小型或低端產品而言，會增加其研發、生產成本，應用不當甚至會縮短產品使用壽命，增加損壞率等[5]。國內眾多學者以此理念為指導進行設計實踐，例如模塊化的組合家具設計[6]、電動自行車模塊化設計研究[7]以及模塊化自主變形機器人設計探索[8]等，證實模塊化的設計理念是一科學有效的設計方法，故本案亦透過此理念以城市消防車作為個案展開研究。（二）模塊化設計對城市消防車設計的意義：使用模塊化設計理念指導城市消防車設計，可在車體整體框架的基礎上將其不同的功能屬性需求進行劃分與重構，實現對傳統城市消防車普遍功能的繼承及其特性的提取，進而將任意二者通過相同方式進行連接重組，達到在特定情況下使用特定功能的目的。模塊化設計加強了城市消防車應對多種特殊情況的能力，可有效減少購置成本及節約存放空間，故本設計采用模塊化設計理念指導城市消防車設計。

三、城市消防車的案例研究

（一）模塊化城市消防車整體概述：文章基于模塊化設計理念于城市消防車的創新優化設計，利用系列化模塊劃分的設計原則，將車體分為5個模塊，包括消防車主車體模塊（01）、連接模塊（X）、水箱模塊（A）、排煙模塊（B）和云梯模塊（C）。假設所組成的目標消防車為M，可以相應的模塊化設計公式[3]表示為：M=01+X+A（orB，C）。上述公式中，主車體模塊（01）與連接模塊（X）作為構成目標消防車（M）的基礎條件，具備現役普通城市消防車的常規功能。另外，水箱模塊（A）、排煙模塊（B）和云梯模塊（C）是對目標消防車功能需求的補充和更替，最終實現了消防車的功能迭代，各模塊組件如圖2所示。應用模塊化設計理念的城市消防車優化設計滿足了以下設計目標：1）提高了城市消防車應對復雜火災情況的能力；2）縮減了城市消防車的體積，可解決現有城市消防中心儲存場地空間不足的問題；3）節約了消防車的生產與研發成本；4）為未來城市消防車的創新設計提供了參考。（二）主車體模塊：設計團隊收集了世界上知名的消防車制造商及消防車的信息，例如：奧地利盧森堡亞公司設計生產的美洲豹機場消防車[9]、德國馬基路斯公司設計生產的云梯車、日本森田泵株式會社制造的高噴車等，此設計亦基于上述品牌旗下消防車的特點進行優化再設計。該模塊化城市消防車整體配色以紅色、黑色和銀色為主，這幾種顏色組合更能激發斗志，讓人振奮，從而提高救援效率。主車體模塊長度為8米，高度為3米，寬度為2.7米，具有集載人、存放消防設備、儲水、噴射、照明以及行駛等功能，其中儲水量為10噸，具備獨立出警能力。造型上部分區別于現役城市消防車，車頭從側面看呈梯形，車身為長方體形，整體給人以堅毅可靠的感覺，滿足了需求網狀圖中所提及的“安心感”與“造型感”等詞。車頭正臉部分配有兩套照明轉向燈，兩根豎式保險杠，正臉中部下端配備拖拽鉤。主車體共有四條防滑輪胎，兩側各配有一高一低兩扇卷軸門，內置便攜式滅火器、防護服、自持式呼吸器、急救工和破拆工具等裝備。車體與模塊之間以盤狀紐帶結構相互連接，其中行駛動力來源基于車體模塊，各功能模塊無獨立行駛動力。在連接云梯模塊時，消防車車側可展開共6根支撐桿（主車體配備4根，云梯模塊配備2根），有助于云梯模塊更平穩地運作。主車體左側后方配備一架伸縮梯，滿足僅主車體模塊出警時消防人員正常上下車頂的功能。主車體頂部前端配消防警示燈，中端配備高壓水槍，后端配備兩盞照明燈。消防車主車體如圖3所示。（三）連接模塊：連接模塊整體呈圓盤狀，由兩部分組成，分別是連接主車體模塊的固定盤（a）和連接功能模塊的抓鉤盤（b）。固定盤（a）側面具有凹槽，用于抓鉤固定，內部有信息導線，用于傳輸數據及供電；抓鉤盤（b）外部由盤周八組抓鉤組成，內部則為接收器。當主車體模塊與功能模塊通過連接模塊對接時，導線與接收器結合，連接模塊接收由主車體模塊產生的電力從而控制抓鉤內收，鉤住固定凹槽，實現連接模塊組合（c），達到將主車體模塊同功能模塊組合的目的。連接模塊如圖4所示，連接模塊使用效果如圖5所示。（四）水箱模塊：水箱模塊呈包裹式正方體形，該模塊的長寬高分別為2.5米、2.7米和3米。模塊后部固定有攀爬梯，便于消防員攀爬至車頂作業；水箱模塊可載水量為10噸，可提供消防車多于主車體一倍的消防用水。水箱模塊組合效果如圖6所示。（五）排煙模塊：排煙模塊呈開放式方體半包平臺，該模塊的長寬高分別為2.5米、2.7米和3.2米。該模塊造型呈圓角長方體形，內部配備六組圓柱形出風口和兩組圓柱形水霧噴灑口；裝置底部配備液壓抬升器，可隨實際狀況改變裝置角度和高度，基于基座的可旋轉角度為60°，可抬升高度為2米，在抬升高度超過1米時，即可通過排煙裝置底部圓形轉臺進行360°旋轉，進而選擇適當角度實施作業。模塊中攜帶的裝置正常情況下具備排煙功能，用于降低濃煙對救援的干擾。在遭遇火情范圍大或煙霧中雜質密度高等特殊情況時，可以對裝置進行注水并噴射水霧，對火源及煙霧進行覆蓋，可有效冷卻燃燒反應，稀釋火源附近氧氣濃度，同時吸附空中的灰塵顆粒和雜質，從而達到撲滅火源及降低煙霧濃度的目的。排煙模塊組合效果如圖7所示。（六）云梯模塊的優化設計。1.云梯消防車現狀分析：設計之初，通過對現有云梯消防車的了解，設計團隊梳理出現存云梯消防車的現狀如下：云梯消防車大致分為兩類，即曲臂云梯消防車和直臂云梯消防車。從生產制造方面而言，云梯消防車主要生產自芬蘭、德國、日本和中國等地。云梯消防車由于抬升高度不同也分為了眾多型號，其中車體最小的云梯消防車長寬高分別為7.6米、2.6米和3.5米，但其抬升高度僅為16米，而常規大型云梯消防車抬升高度約為30-60米不等，就抬升高度為32米的云梯消防車而言，長寬高達到了12米、2.5米和4米。綜上所述，大型云梯消防車車體體積龐大，導致其存在不易于存放、不便于行駛以及造價昂貴等問題，致使國內配備率低。2.云梯模塊的概述：針對上述云梯消防車存在的問題，設計團隊設計了一款區別于曲臂云梯裝置與直臂云梯裝置的云梯模塊，該模塊主要由4個部分組成，即液壓裝置（d）、支撐桿（e）、吊籃（f）以及高噴水槍（g），其工作原理是通過載體底部的液壓裝置對支撐桿進行控制，致使模塊可以上下伸縮，再利用吊籃和高噴水槍實施作業，達到救援及消防目的。該模塊的載體造型同排煙模塊一致，搭載收回狀態的云梯裝置時長寬高分別為2.5米、2.7米和3.15米。在組裝云梯模塊后，整車車體長寬高分別為10.5米、2.7米和3.15米，其抬升高度可達32米，相當于普通樓層的12層樓高，滿足大部分情況下的城市消防作業，就此可見模塊化消防車體積利用率大于現有云梯消防車，更加便于存放與行駛，實現了設計需求網狀圖中的“便利性”需求。云梯模塊使用效果如圖8所示。3.云梯模塊的結構：云梯模塊的支撐桿由25個高為1.3米，厚度為0.04米，直徑為0.8-1.6米不等的管狀液壓軸層層嵌套組成，載體配備高強度液壓機并直接作用于液壓軸，可有效保障支撐桿的上下伸縮，實現吊籃和高噴水槍的上下抬升。云梯吊籃呈環形圓柱狀，包裹在支撐桿外圍，并采用左右分離的形式分布。云梯吊籃得以正常運作由以下兩部分決定，第一部分是與同側支撐桿的側面滑槽相咬合，從而實現吊籃貼合支撐桿平穩滑動；第二部分是由穿過頂部杠桿升降控制器的鋼線進行拖拽，從而實現吊籃的上下運作。通過這兩部分以及杠桿升降控制器對其的控制，實現云梯吊籃可以上下穩定移動，達到提高被救人員疏散效率的目的。云梯吊籃由阻燃布、伸縮鋼管、折疊網狀金屬托盤以及伸縮梯組成，在減輕配重的同時，實現云梯吊籃的可折疊功能，從而節約運載空間降低整車體積。高噴水槍裝配于支撐桿最內軸，該設備的應用使云梯裝置可以完成更高樓層的滅火工作。以上便是對云梯模塊的優化設計，后期會在已提出的造型、結構、材料和功能等方面進行深入設計探索，充分完善與提升云梯模塊的性能，如圖8。

通過對城市消防車及其相關產品的資料收集與分析，發現現役消防設備存在安全性低、體積大、不易儲存、價格高和普適性弱等問題。文章應用專家深度訪談的方式聚焦于現役城市消防車的實用性和功能性，圍繞實際需求進行了優化創新設計，從而有效地解決了所發現的問題。其中，專家深度訪談法可以快速鎖定潛在的設計需求，為產品設計提供可靠的數據，對于設計初期階段是一客觀有效的調研方法。基于模塊化設計理念所設計的城市消防車與現有消防車相比，具備實用性強、功能多樣、體積小和機動性強等優勢。另外，文章特別針對云梯裝置的結構及升降方式進行了優化再設計，為后續云梯消防車的設計提供了參考。綜上，針對消防類的產品設計，應以提高救援效率，切實保障人身安全，降低意外風險為設計前提，逐步提高消防員的消防水平，減少人員傷亡和財產損失。

參考文獻

[1]國家統計局.中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2018.

[2]應急管理部消防救援局

[3]王海軍.面向大規模定制的產品模塊化若干設計方法研究[D].大連：大連理工大學，2005.

[4]陶鳴洋.模塊化老年人移動通訊產品設計研究[D].長沙：湖南大學，2011.

[5]施窮.產品模塊化設計的應用研究[J].設計，2015（23）：106-107.

[6]徐小歡.基于模塊化的組合家具設計[J].廣東石油化工學院學報，2016，26（06）：60-62+76.

[7]周本剛.電動自行車模塊化設計研究——以城市短途出行的多元需求為背景[J].設計，2017（2）：118-119.

[8]毛昕.模塊化自主變形機器人設計探索[J].設計.2019（6）：88-91.

[9]石義民，劉曉鵬.盧森寶亞美洲豹機場消防車的外形設計[J].專用汽車，2019（03）：62-65.

[10]閆慧炯，任家駿.人機工程學在城市消防車駕駛室的設計應用[J].機械管理開發，2011（04）：79-81.

[11]劉美玲，周碧池，張棟.云梯消防車梯架結構有限元分析[J].內燃機與配件，2019（06）：42-43.

[12]劉依文，于東玖，張浩.消防車乘員室空氣呼吸器座椅設計研究[J].設計，2018.292（13）：112-114.

作者:鄭凱恒 路鵬 王姝懿 方丹 單位:安美術學院設計藝術學院